專利名稱：在燃料電池混合動力車輛中使用再生制動功率用于系統再次啟動的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及使用再生制動功率來啟動燃料電池堆的系統和方法，且更具體地涉及在燃料電池混合動力車輛的啟動/停止操作期間使用再生制動功率來再次啟動燃料電池堆的系統和方法。
背景技術：
大多數燃料電池車輛是混合動力車輛，除了燃料電池堆之外，其采用可再充電的補充高電壓功率源，例如DC蓄電池或超電容器。功率源給各個車輛輔助負載提供補充功率，用于系統啟動和在燃料電池堆不能提供所需功率時的高功率需求期間。更具體地，燃料電池堆提供功率給電牽引馬達，其通過高電壓總線驅動車輛和其它車輛系統，以用于車輛操作。在需要超過燃料電池堆能夠提供的附加功率時的時間期間，例如在急加速期間，蓄電池給電壓總線提供補充功率。例如，燃料電池堆可提供70 kW的功率。然而，車輛加速可能需要100 kW或更多的功率。在燃料電池堆能夠滿足系統功率需求時，燃料電池堆用于給蓄電池再充電。再生制動可以使得電動混合動力車輛中的電牽引馬達作為發電機操作，以將來自于車輛車輪的旋轉能量轉換為電功率，其能夠以本領域技術人員熟知的方式用于給蓄電池充電。然而，在已知電動車輛中，在燃料電池系統啟動期間，阻止再生制動功率的收集。一些混合動力車輛采用啟動/停止模式，其中，僅蓄電池功率用于提供車輛的功率需求，其中，燃料電池堆從高電壓總線斷開連接。例如，在需要低功率時的怠速狀況期間， 燃料電池堆可從高電壓總線斷開連接，且陰極壓縮機可關閉或者至少以低速操作。此外，在可提供大量的再生制動的長下坡行駛期間，可能不需要燃料電池堆功率且燃料電池堆可以從高電壓總線斷開連接至少一定時間量。在一些點，由于需要更多功率，燃料電池堆的內部溫度已經下降到一些最小溫度或者一些其它系統需求已經滿足，因而需要將燃料電池堆再次連接到高電壓總線。在已知啟動/停止模式中，蓄電池功率用于旋轉陰極壓縮機且提供其它電需求以開始燃料電池堆操作。如果車輛當前處于再生制動模式，那么可以使用再生功率來提供那些電需求和減少蓄電池上的負載。
發明內容
根據本發明的教導，公開了在燃料電池混合動力車輛的啟動/停止操作期間使用再生制動功率來啟動燃料電池堆以用于系統再次啟動的系統和方法。所述方法包括將燃料電池堆從高電壓總線斷開連接，以用于啟動/停止操作；以及在啟動/停止操作期間使用由電牽引系統提供的再生制動功率來給混合動力車輛中的蓄電池再次充電。所述方法還包括將燃料電池堆再次連接到高電壓總線；以及當啟動/停止操作結束時燃料電池堆再次連接到高電壓總線時，將來自于電牽引系統的再生制動功率中的至少一些提供給壓縮機，所述壓縮機將陰極空氣提供給燃料電池堆。雙向DC轉換器將所述功率選擇性地分配給壓縮機和蓄電池。方案1. 一種在燃料電池混合動力車輛的啟動/停止操作期間使用再生制動功率來啟動燃料電池堆以用于系統再次啟動的方法，所述方法包括
將燃料電池堆從高電壓總線線路斷開連接，以用于啟動_停止操作； 在燃料電池堆被斷開連接時，使用由電牽引系統提供的再生制動功率來給混合動力車輛中的蓄電池再次充電；
將燃料電池堆再次連接到高電壓總線線路；以及
當燃料電池堆再次連接到高電壓總線線路時，將來自于電牽引系統的再生制動功率中的至少一些提供給壓縮機，所述壓縮機將陰極空氣提供給燃料電池堆。方案2.根據方案1所述的方法，其中，將再生制動功率中的至少一些提供給壓縮機包括將指令信號提供給雙向DC轉換器，所述雙向DC轉換器將功率選擇性地分配給壓縮機和蓄電池。方案3.根據方案1所述的方法，還包括確定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線電壓，且防止電牽引系統將超過電壓上限的再生制動功率提供給高電壓總線線路。方案4.根據方案3所述的方法，其中，確定電壓上限包括使用燃料電池堆電壓。方案5.根據方案1所述的方法，還包括將燃料電池堆輸出端處的燃料電池堆電壓和高電壓總線線路上的總線電壓保持大約相同，以防止燃料電池堆觸頭起弧。方案6. —種在燃料電池混合動力車輛中使用再生制動功率來啟動燃料電池堆的方法，所述方法包括
將來自于電牽引系統的再生制動功率提供給高電壓總線；以及將高電壓總線上的再生制動功率中的一些選擇性地提供給蓄電池以便給蓄電池充電且將再生制動功率中的一些提供用來操作壓縮機，所述壓縮機將陰極空氣提供給燃料電池堆的陰極側。方案7.根據方案6所述的方法，其中，選擇性地提供再生制動功率包括使用雙向 DC轉換器將再生制動功率分配給蓄電池和壓縮機。方案8.根據方案6所述的方法，還包括限定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線電壓，且防止電牽引系統將超過電壓上限的再生制動功率提供給高電壓總線線路。方案9.根據方案6所述的方法，其中，確定電壓上限包括使用燃料電池堆電壓。方案10.根據方案6所述的方法，還包括將燃料電池堆輸出端處的燃料電池堆電壓和高電壓總線線路上的總線電壓保持大約相同，以防止燃料電池堆觸頭起弧。方案11.根據方案6所述的方法，其中，燃料電池堆在啟動/停止操作期間啟動。方案12. —種在燃料電池混合動力車輛中使用再生制動功率來啟動燃料電池堆的方法，所述方法包括
將來自于電牽引系統的再生制動功率提供給高電壓總線；
將高電壓總線上的再生制動功率中的一些選擇性地提供給蓄電池以便給蓄電池充電且將再生制動功率中的一些提供用來操作壓縮機，所述壓縮機將陰極空氣提供給燃料電池堆的陰極側，其中，選擇性地提供再生制動功率包括使用雙向DC轉換器將再生制動功率分配給蓄電池和壓縮機；限定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線電壓；以及
防止電牽引系統將超過電壓上限的再生制動功率提供給高電壓總線線路。方案13.根據方案12所述的方法，其中，確定電壓上限包括使用燃料電池堆電壓。方案14.根據方案12所述的方法，還包括將燃料電池堆輸出端處的燃料電池堆電壓和高電壓總線線路上的總線電壓保持大約相同，以防止燃料電池堆觸頭起弧。方案15.根據方案12所述的方法，其中，燃料電池堆在啟動/停止操作期間啟動。本發明的附加特征將從以下說明和所附權利要求書結合附圖顯而易見。
圖1是燃料電池車輛的電氣系統的示意性框圖2是燃料電池車輛的功率控制系統的示意性框圖，包括用于提供再生制動指令的控制部件，用于在啟動/停止操作期間再次啟動燃料電池堆；和
圖3是示出了圖2所示功率控制系統的備用、再次啟動和混合動力操作的曲線圖。
具體實施例方式涉及在啟動/停止模式期間使用再生制動功率來再次啟動燃料電池堆的系統和方法的本發明實施例的以下闡述本質上僅僅是示例性的且絕不旨在限制本發明或其應用或使用。圖1是燃料電池混合動力車輛的電氣系統10的示意性框圖。系統10包括分離式燃料電池堆12，其分別通過觸頭18和20電聯接到高電壓總線線路14和16。高電壓蓄電池22也電聯接到高電壓總線線路14和16，其中，蓄電池22包括串聯地電聯接的蓄電池單元24。雙向DC/DC轉換器(BDC) 26電聯接到總線線路14和16，以提供功率以便給蓄電池 22充電和放電，蓄電池22以不同于燃料電池堆12的電壓電平操作。電氣系統10包括電聯接到總線線路14和16的功率管理和分配(PMD)裝置28，其將附加系統負載連接到總線線路14和16，例如將空氣提供給燃料電池堆12陰極的空氣壓縮機30。電氣系統10還包括電聯接到總線線路14和16的功率逆變器模塊(PIM) 32以及 AC牽引馬達34，AC牽引馬達34是驅動車輛的電牽引系統(ETS)的一部分。PIM 32將總線線路14和16上的DC電壓轉換為適合于牽引馬達34的AC電壓。牽引馬達34提供牽引功率以操作車輛。在再生制動期間，來自于車輛車輪(未示出)的旋轉能量使得牽引馬達34作為發電機操作，其提供電流給總線線路14和16，可以由BDC 26使用，以便以本領域技術人員熟知的方式給蓄電池22充電。圖2是用于電氣系統10的控制系統40的示意性框圖，控制系統40包括燃料電池功率系統(FCPS)控制器42和燃料電池系統(FCS)控制器46。系統40還包括電牽引系統 (ETS)44，其表示系統10中的PIM 32和馬達34。控制器42包括BDC功率指令計算處理器 48，其從線路50上的ETS 44接收功率信號P_ETS，其確定牽弓丨馬達34的再生制動可用的功率，其可用于給蓄電池22充電。在停止/啟動操作期間，當由于任何原因給出再次啟動燃料電池堆12的請求時， 從線路52上的控制器46提供功率信號P_FCSStartUp，其確定壓縮機30需要多少功率來給燃料電池堆12的陰極側提供所需空氣量，以用于具體時間點的合適或所需空氣流。處理器 48產生線路54上的指令信號P_BDCCmd，其發送到BDC 56，表示BDC 26，指令BDC 56將總線線路14和16上接收的再生制動功率分配給蓄電池22和壓縮機30，使得壓縮機30獲得其旋轉以提供陰極空氣所需的功率，其中，其余功率用于給蓄電池22充電。換句話說，處理器48從功率信號P_ETS減去功率信號P_FCSStartup，以確定再生制動功率中的多少將用于操作壓縮機30，且將在指令信號P_BDCCmd中指令BDC 56將該功率提供給壓縮機30。控制器42還包括ETS電壓極限計算處理器58，其從控制器46接收線路60上的燃料電池堆電壓信號U_stack且從ETS 44接收線路62上的ETS電壓信號U_ETS，燃料電池堆電壓信號U_stack確定燃料電池堆電壓，ETS電壓信號U_ETS表示由再生制動提供的電壓。為了避免系統電壓的臨界增加，其中，由于計算誤差等，與實際傳輸給高電壓蓄電池22 和/或壓縮機30的功率相比，再生制動功率提供給總線線路14和16更多功率，處理器48 使用燃料電池堆電壓信號U_stack和ETS電壓信號U_ETS來計算線路64上的電壓上限U_ ETSuplim，其確定ETS44基于當前燃料電池堆電壓可以提供給電壓總線線路14和16的最多電壓。如果ETS電壓U_ETS達到電壓上限U_ETSuplim，那么ETS 44內部地減少牽引馬達 34上的實際扭矩，因而減少再生功率，以便保持再生制動電壓低于該極限。線路64上的電壓上限U_ETSuplim還用于系統電壓控制，以再次連接燃料電池堆12。為了防止觸頭起弧， 在觸頭閉合期間燃料電池堆觸頭18和20兩側上的電壓電平需要處于相同范圍。燃料電池堆12 —供應有氫氣和氧氣用于燃料電池堆再次啟動，燃料電池堆電壓就升高。如果燃料電池堆電壓升高高于實際系統電壓U_ETS，電壓上限U_ETSUplim將設定為實際燃料電池堆電壓(U_ETSuplim = U_stack)。總線線路14和16上的電壓電平將跟隨燃料電池堆電壓，使得觸頭18和20可以閉合以再次連接燃料電池堆12。圖3是曲線圖，水平軸為時間，左豎直軸為電壓，右豎直軸為功率，示出了在備用 (部段70)、再次啟動(部段72)和混合動力操作(部段74)期間系統10中的各種關系。曲線 76是燃料電池堆電壓，曲線78是電壓上限，曲線80是在再生制動期間的ETS電壓，曲線82 是BDC功率指令(單位瓦)，其是負的以表示功率存儲在蓄電池22中。這些曲線示出了在再次啟動部段72期間BDC功率指令信號如何保持電壓上限。可以清楚，在再次啟動部段72 期間，再生制動電壓由控制系統40保持低于電壓上限。一旦在再次啟動部段72期間燃料電池堆電壓升高，其大致跟隨電牽引系統電壓，以防止觸頭起弧。 前述說明僅僅公開和描述本發明的示例性實施例。本領域技術人員從這種說明和附圖以及權利要求書將容易認識到，能夠對本發明進行各種變化、修改和變型，而不偏離由所附權利要求書限定的本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種在燃料電池混合動力車輛的啟動/停止操作期間使用再生制動功率來啟動燃料電池堆以用于系統再次啟動的方法，所述方法包括將燃料電池堆從高電壓總線線路斷開連接，以用于啟動-停止操作；在燃料電池堆被斷開連接時，使用由電牽引系統提供的再生制動功率來給混合動力車輛中的蓄電池再次充電；將燃料電池堆再次連接到高電壓總線線路；以及當燃料電池堆再次連接到高電壓總線線路時，將來自于電牽引系統的再生制動功率中的至少一些提供給壓縮機，所述壓縮機將陰極空氣提供給燃料電池堆。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，將再生制動功率中的至少一些提供給壓縮機包括將指令信號提供給雙向DC轉換器，所述雙向DC轉換器將功率選擇性地分配給壓縮機和蓄電池。
3.根據權利要求1所述的方法，還包括確定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線電壓，且防止電牽引系統將超過電壓上限的再生制動功率提供給高電壓總線線路。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，確定電壓上限包括使用燃料電池堆電壓。
5.根據權利要求1所述的方法，還包括將燃料電池堆輸出端處的燃料電池堆電壓和高電壓總線線路上的總線電壓保持大約相同，以防止燃料電池堆觸頭起弧。
6.一種在燃料電池混合動力車輛中使用再生制動功率來啟動燃料電池堆的方法，所述方法包括將來自于電牽引系統的再生制動功率提供給高電壓總線；以及將高電壓總線上的再生制動功率中的一些選擇性地提供給蓄電池以便給蓄電池充電且將再生制動功率中的一些提供用來操作壓縮機，所述壓縮機將陰極空氣提供給燃料電池堆的陰極側。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，選擇性地提供再生制動功率包括使用雙向DC轉換器將再生制動功率分配給蓄電池和壓縮機。
8.根據權利要求6所述的方法，還包括限定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線電壓，且防止電牽引系統將超過電壓上限的再生制動功率提供給高電壓總線線路。
9.根據權利要求6所述的方法，其中，確定電壓上限包括使用燃料電池堆電壓。
10.一種在燃料電池混合動力車輛中使用再生制動功率來啟動燃料電池堆的方法，所述方法包括將來自于電牽引系統的再生制動功率提供給高電壓總線；將高電壓總線上的再生制動功率中的一些選擇性地提供給蓄電池以便給蓄電池充電且將再生制動功率中的一些提供用來操作壓縮機，所述壓縮機將陰極空氣提供給燃料電池堆的陰極側，其中，選擇性地提供再生制動功率包括使用雙向DC轉換器將再生制動功率分配給蓄電池和壓縮機；限定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線電壓；以及防止電牽引系統將超過電壓上限的再生制動功率提供給高電壓總線線路。
全文摘要
公開了在燃料電池混合動力車輛的啟動/停止操作期間使用再生制動功率來啟動燃料電池堆以用于系統再次啟動的系統和方法。所述方法包括將燃料電池堆從高電壓總線斷開連接，以用于啟動/停止操作；以及在啟動/停止操作期間使用由電牽引系統提供的再生制動功率來給混合動力車輛中的蓄電池再次充電。所述方法還包括將燃料電池堆再次連接到高電壓總線；以及當啟動/停止操作結束時燃料電池堆再次連接到高電壓總線時，將來自于電牽引系統的再生制動功率中的至少一些提供給壓縮機，所述壓縮機將陰極空氣提供給燃料電池堆。雙向DC轉換器將所述功率選擇性地分配給壓縮機和蓄電池。
文檔編號H01M8/04GK102290585SQ20111016235
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月16日 優先權日2010年6月16日
發明者J.沙夫尼特 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司